이 실험 소개
깨끗한 철사 고리를 금속염에 담갔다가 뜨거운 불꽃에 대면, 불꽃이 금속을 식별할 수 있는 색으로 변합니다. 리튬은 진홍색, 나트륨은 노란색, 칼륨은 라일락색, 바륨은 녹색입니다. 열을 받으면 전자가 더 높은 에너지 준위로 올라가고, 다시 내려올 때 특정 파장의 빛을 방출합니다. 일곱 가지 염을 시험하고 분광기로 빛을 관찰하면서 미량의 나트륨이 다른 색을 어떻게 가리는지, 코발트 유리가 어떻게 이를 다시 보이게 하는지 알아본 다음, 정체를 모르는 시료를 식별해 보세요.
학습 목표
- 안전하고 공정하게 불꽃 반응을 수행하고 설명하기
- 불꽃 색으로 Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Cu²⁺ 식별하기
- 전자가 에너지 준위 사이를 이동하는 것으로 불꽃 색 설명하기
- 스펙트럼선의 파장과 광자의 에너지를 연결해 보세요
- 나트륨 오염이 왜 문제인지, 코발트 블루 유리가 어떻게 도움이 되는지 설명해 보세요
사용 방법
- 1각 염을 차례로 불꽃에 넣고 불꽃의 색을 표에 기록하세요.
- 2리튬과 스트론튬을 비교해 보세요. 두 원소는 비슷해 보입니다. 분광기로 어떻게 구별할 수 있을까요?
- 3KCl을 선택하고 나트륨 불순물을 10%로 높여 보세요. 불꽃의 색이 어떻게 보이나요?
- 4코발트 블루 유리를 켜세요. 스펙트럼의 어느 부분이 사라지며, 다시 무엇을 볼 수 있나요?
- 5나트륨선의 광자 에너지를 읽어 보세요. 빨간색 광자와 보라색 광자 중 어느 쪽의 에너지가 더 큰가요?
- 6‘미스터리 시료’로 전환해 시료 다섯 개를 연속으로 식별해 보세요. 어떤 시료가 가장 어려웠나요?
모델
가정
- 리튬, 나트륨, 칼륨의 색은 NIST 데이터베이스에 수록된 파장의 원자 스펙트럼선에서 비롯됩니다.
- 칼슘, 스트론튬, 바륨, 구리의 색은 대부분 불꽃 속에서 생성되는 CaOH, SrOH, BaOH, CuCl과 같은 분자에서 비롯됩니다. 각 분자의 발광 띠는 대략적인 중심 파장과 폭으로 표시됩니다.
- 같은 염 안에서의 상대적인 밝기는 대략적인 값입니다. 실제 세기는 불꽃의 온도, 농도, 음이온에 따라 달라집니다.
- 불꽃의 색은 CIE 1931 색 일치 함수를 사용해 스펙트럼으로부터 계산하므로, 이는 빛 자체의 색이며 화면으로 가능한 한 가깝게 표현됩니다.
- 미지 시료는 정해진 순서에 따라 섞이므로, 7회마다 각 염이 한 번씩 나타납니다.
수업에서 해 보기
- Q1한 학생이 모든 시료에서 노란 불꽃을 봅니다. 가장 가능성이 높은 원인은 무엇이며, 철사는 어떻게 세척해야 할까요?
- Q2리튬의 670.8 nm 선에서 나오는 광자의 에너지를 줄과 전자볼트 단위로 계산하세요.
- Q3금속마다 다른 색을 내는 이유는 무엇인가요?
- Q4불꽃 반응으로 혼합물에 들어 있는 금속을 잘 식별할 수 없는 이유는 무엇인가요?
- Q5불꽃놀이에는 스트론튬염과 바륨염이 사용됩니다. 각각 어떤 색을 내나요?
자주 묻는 질문
철사 고리는 왜 니크롬이나 백금으로 만드나요?
이 금속들은 반응성이 낮고, 그 자체로 불꽃에 색을 내지 않습니다. 고리를 진한 염산에 담근 다음 불꽃에 색이 나타나지 않을 때까지 가열해 세척합니다.
스펙트럼은 왜 무지개처럼 연속된 색이 아니라 선으로 이루어져 있나요?
원자 안의 전자는 특정한 에너지만 가질 수 있으므로, 가능한 에너지 감소도 한정되어 있고 따라서 특정한 파장만 나타납니다. 반면 빛나는 철사와 같은 뜨거운 고체는 연속 스펙트럼을 냅니다.
불꽃 반응만으로 금속을 확인할 수 있나요?
빠르게 할 수 있는 첫 번째 검사로는 유용합니다. 리튬과 스트론튬처럼 색이 비슷한 경우도 있고, 나트륨은 다른 색을 가릴 수 있습니다. 화학자들은 다른 검사나 정확한 스펙트럼선을 측정하는 불꽃 방출 분광기 또는 원자 흡수 분광기 같은 장비로 확인합니다.